一种基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统及方法

摘要

本发明公开一种基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统及方法，载人火星探测飞行器大系统由地球-火星循环轨道空间站、载人飞行器、货运飞行器等空间飞行器组成，在航天员系统、运载火箭系统、测控系统等相关系统的配合下，实现对火星以及地球-火星空间的载人探测。本发明可以适用于长期、持续、多批次的载人火星探测任务，可以实现对地球、火星空间以及对火星的载人探测任务，同时为地球、火星空间的科学研究提供了一个理想的研究平台。

说明书

技术领域

本发明属于航天器系统设计领域，尤其属于载人航天系统领域内关于载 人空间及载人火星探测领域，具体涉及一种基于地球-火星循环轨道的载人 火星探测系统及方法，可以应用于载人火星以及地球-火星空间的探测任务。

背景技术

国际载人航天事业经历了“阿波罗”探测任务之后转入低潮，直到新世纪 美国的“重返月球”计划，重新燃起了各航天大国进行载人星际探测的梦想。

目前人类科技能够达到或者具备可能性到达的外太空星球主要是月球和火 星。研究最深入的是美国DRA5.0(Design Reference Architecture 5.0)载人 火星探测方案。

传统的载人火星探测基本方法可以参考美国DRA5.0(Design Reference  Architecture 5.0)方案，具体过程为：

由多枚Ares-V货运火箭把两艘货运飞行器送入近地轨道，两艘货运飞行器 分别通过在轨组装技术组成一个完成的飞行器组合体。在近地轨道停泊的两艘 货运飞行器分别在适当时机由各自的推进级加速送入地球-火星直接转移轨道。 货运飞行器不载人，一般沿着近似霍曼转移轨道运行，以节省推进剂。在飞行 约350天后到达火星附近，推进级施加减速脉冲，并利用货运飞行器自身的气 动减速外形被火星捕获。此后，货运飞行器降落到火星表面，开展火星原位资 源利用，为下一个周期的载人任务做准备。

在下一个发射窗口(约26个月之后)，由多枚货运火箭把载人火星探测飞 行器的各无人舱段发射送入近地轨道，完成在轨组装。由一枚载人火箭把运送 航天员的载人飞船送入近地轨道，与在近地轨道停泊的载人火星探测飞行器完 成交会对接。对接完成，建立组合体后，在适当时机，载人火星探测飞行器加 速驶入地球-火星转移轨道。通常为了适当缩短飞行时间，一般不采用霍曼转移 轨道，而采用飞行时间短一些的快速转移轨道。

载人火星探测飞行器经过长时间飞行到达火星附近以后，施加减速脉冲， 被火星捕获，航天员乘坐火星下降级降落到预定探测地点。航天员开展在火星 表面的预定工作。

几百天以后，待返回窗口开启时，航天员进入火星上升级，与在环火轨道 停泊的载人探测飞行器交会对接。航天员进入探测器，此后，在适当时机，载 人探测飞行器施加加速脉冲进入火星-地球转移轨道。经过长时间飞行到达地球 附近后，航天员进入载人飞船，载人飞船与载人探测飞行器分离，通过轨道机 动瞄准再入点，此后通过地球大气减速降落到地球表面。航天员安全返回地球， 完成整个探测任务。

本发明提出的基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统方法，与 DRA5.0采用的载人火星探测明显不同。

此外，专利申请号为CN102730200A的《一种基于月球周期重访轨道的 载人空间与月球探测飞行器系统与从探测方法》提出了基于地月循环轨道完成 载人月球探测的方法。与之相似，基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统 方法同样基于循环轨道周期往返于地球与目标星之间的特点来完成目标星的探 测任务。但由于地月循环轨道是一种绕地球中心的大椭圆轨道，只能完成月球 的探测，无法直接应用于其它星球的探测任务。而地球-火星循环轨道是一种以 太阳为中心的椭圆轨道，往返于地球和火星之间，只能用于火星探测任务。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服传统的火星探测方案一次任务类似美国 DRA5.0任务，一次任务单独发射载人飞行器、货运飞行器，探测目标单一， 可持续性差这些不足，提出一种基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统及 方法，能够通过地球-火星循环轨道空间站定期重访地球、火星。本发明可以适 用于长期、持续、多批次的载人火星探测任务，可以实现对地球、火星空间以 及对火星的载人探测任务，同时为地球、火星空间的科学研究提供了一个理想 的研究平台。

本发明解决的技术方案为：一种基于地球-火星循环轨道的载人火星探 测系统，其特征在于：包括地球-火星循环轨道空间站(Earth-Mars Cycler  Orbit Space Station)、载人飞行器(Earth-Mars Manned Space Vehicle)、 货运飞行器(Earth-Mars Cargo Space Vehicle)这些空间飞行器；

地球-火星循环轨道空间站，包括交会对接端口和机械臂，地球-火星循 环轨道空间站通过该交会对接端口与载人飞行器和货运飞行器对接形成地 球-火星循环轨道空间站组合体；当载人飞行器和货运飞行器不具备主动对 接功能时，地球-火星循环轨道空间站通过机械臂捕获具备交会能力但不具 备自主对接能力的载人飞行器和货运飞行器，形成地球-火星循环轨道空间 站组合体；地球-火星循环轨道空间站能够提供必要的空间环境防护功能、 载人生活环境、热控这些近地轨道空间站具备的常规功能；

载人飞行器包括载人火星转移生活舱、单个或多个推进级、载人飞船 (Earth-Mars Crew Transfer Vehicle)，载人飞行器由多枚运载火箭分批送入 近地轨道，通过在轨组装形成一个完整的载人飞行器组合体；载人火星转移 生活舱具备载人生命保障能力，能够保证航天员长期在轨生存所需的各项条 件；

货运飞行器包括密封和/或非密封货运舱、单个或多个推进级，货运飞 行器由多枚运载火箭分批送入近地轨道，通过在轨组装形成一个完整的货运 飞行器组合体；

所述载人飞船由载人运载火箭发射送入近地轨道，自主机动与载人飞行 器的火星转移生活舱、单个或多个推进级完成交会对接形成组合体；载人飞 船能够从地球-火星循环轨道空间站组合体分离，执行返回再入地球大气层 着陆回收任务；载人飞船具备常规载人飞船平台功能、主动交会对接能力， 此外不同于载人登月任务载人飞船以及近地轨道返回的载人飞船，本任务中 的载人飞船需具备从火星返回以第二宇宙速度再入返回地球的功能，此外载 人飞船还需要适应火星任务周期较长的特点。

所述地球-火星循环轨道以太阳为中心，轨道周期匹配地球和火星轨道 绕太阳公转的周期，能够保证在一定时期内重复访问地球和火星，地球-火 星循环轨道的偏心率通常小于0.5(相比地球-月球循环轨道，轨道绕地球为 中心，且轨道偏心率一般大于0.5)，地球-火星循环轨道的偏心率通常小于 0.5是通过反复的迭代数学计算及大量的仿真实验得到的。

一种基于地球-火星循环轨道的载人火星探测方法，步骤如下：

(1)首先由运载火箭把地球-火星循环轨道空间站送入近地轨道，根据 地球-火星循环轨道空间站的轨道机动能力需求，由推进飞行器或者地球-火 星空间站自身加速进入地球-火星循环轨道，成为围绕地球、火星，能够定 期周期重访的、长期稳定运行于地球、火星空间之间的载人空间站，实现对 地球、火星空间的持续探测。地球-火星循环轨道空间站将长期沿地球--火星 循环轨道运行，定期重访地球、火星。须通过定期轨道维持来保证空间站运 行于特定的循环轨道上。不同于地-月循环轨道，地球-火星循环轨道是一种 特殊的以太阳为中心的绕日椭圆轨道，而地月循环轨道是以地球为中心的一 类大椭圆轨道。两类轨道适用于不同的探测任务。执行步骤(2)；

(2)载人飞行器和货运飞行器选择适当的发射窗口，由多枚运载火箭 将货运飞行器和载人飞行器送入近地空间，载人火箭把载人飞船送入近地空 间，载人飞船与载人飞行器交会对接；在近地空间，货运飞行器和载人飞行 器能够形成货运飞行器和载人飞行器组合体；货运飞行器和载人飞行器组合 体能够加速与在轨运行的地球-火星空间站交会对接；货运飞行器和载人飞 行器也能够独自加速，与在轨运行的地球-火星空间站交会对接，形成地球- 火星空间站和货运飞行器和载人飞行器组合体在地球-火星循环轨道运行。 通常，载人飞行器和货运飞行器需要由多枚火箭送入近地轨道，规模较大， 需要适应地球、火星空间的特殊深空环境。而载人登月任务规模与之相比要 远小得多，一般仅需1～2枚100吨级运载能力的重型火箭就可以发射送入 近地空间，执行步骤(3)；

(3)步骤(2)的地球-火星空间站和货运飞行器和载人飞行器组合体 在合适的轨道窗口，货运飞行器、载人飞行器与空间站分离重新形成货运飞 行器和载人飞行器组合体飞往火星；

(4)步骤(3)飞往火星的货运飞行器和载人飞行器组合体在火星表面 着陆，进行载人火星实地探测任务，待该任务完成后，在载人火星探测任务 设定的时间窗口，根据载人火星实地探测任务的需要，货运飞行器和载人飞 行器组合体从火星表面起飞返回空间站，或者货运飞行器与载人飞行器分 离，载人飞行器从火星表面起飞返回空间站，根据载人火星探测任务的需要， 货运飞行器从火星表面起飞返回空间站。

(5)步骤(4)的货运飞行器和载人飞行器组合体或者载人飞行器单独 返回空间站后，在载人火星实地探测任务合适的窗口，货运飞行器和载人飞 行器组合体或者载人飞行器与地球－火星空间站分离，然后载人飞船与载人 飞行器分离，载人飞船再入返回地球。

所述步骤(4)替换为飞往火星的载人飞行器和货运飞行器组合体在火 星附近减速制动，环火星轨道运行，然后把货运飞行器携带的火星探测器以 及所需的补给送到火星表面，进行载人火星探测任务，当载人火星表面探测 任务完成以后，火星探测器从火星表面起飞，返回到环火星轨道运行的载人 飞行器和货运飞行器组合体，载人飞行器和货运飞行器组合体加速返回地球 -火星空间站。

步骤(2)所述的载人飞行器和货运飞行器选择的发射窗口能够扩大， 具体由多个地球-火星循环轨道空间站组网来实现，这些多个地球-火星循环 轨道空间站能够运行于同一条地球-火星循环轨道的不同相位上，也能够运 行于不同的地球-火星循环轨道上，通过配置同一地球-火星循环轨道的相位， 或者配置不同的地球-火星循环轨道相对位置。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明所述方法可以适用于不同推进系统，如普通的常温化学推进系 统、低温推进系统，或者核热、核聚变、核电推进系统等核推进系统等。由于 推进系统的推进效率不尽相同，导致系统总规模也不尽相同，所需运载火箭数 量也不尽相同，但任务模式基本相近，同样需要多次采用空间在轨组装技术。

(2)本发明所述的方法基于地球-火星循环轨道，但是可以进一步推广适 用于准地球-火星循环轨道。所谓准地球-火星循环轨道是一类广义的轨道，这 种轨道只要求配置合理的轨道周期，使得能够在地球-火星空间内合理的往返于 地球、火星之间，而且各次往返的时间间隔大致相同，而不要求严格的匹配轨 道倾角等其他参数(严格的循环轨道还要求匹配轨道倾角等参数，由于地球、 火星不运行于同一轨道面内，准地球-火星循环轨道可放宽对轨道倾角的约束)。

(3)本发明所述基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统方法不限于 以上具体实施方法，还应包括基于单节点任务顺序变换而产生的新方法。

(4)本发明可以适用于长期、持续、多批次的载人火星探测任务。可以实 现对地球、火星空间以及对火星的载人探测任务，同时为地球、火星空间的科 学研究提供了一个理想的研究平台。

附图说明

图1为火星探测分类示意图；

图2为本发明地球-火星循环轨道载人火星探测系统图；

图3为基于地球-火星循环轨道空间站完成载人火星探测任务的各个阶 段示意图，其中(a)为地球-火星空间站和货运飞行器和载人飞行器组合体 在地球-火星循环轨道运行示意图；

其中(b)为货运飞行器、载人飞行器与空间站分离重新形成货运飞行 器和载人飞行器组合体飞往火星示意图；

其中(c)为飞往火星的货运飞行器和载人飞行器组合体在火星表面着 陆示意图；

其中(d)为货运飞行器和载人飞行器组合体在火星表面进行载人火星 实地探测任务示意图；

其中(e)为货运飞行器从火星表面起飞返回空间站示意图；

其中(f)为载人飞行器里的航天员进入空间站进行休整，奔向地球示意 图；

其中(g)为货运飞行器和载人飞行器组合体或者载人飞行器与地球－ 火星空间站分离，执行轨道机动，飞向地球示意图；

其中(h)为载人飞船返回舱与载人飞船分离，执行轨道修正，再入地 球，航天员返回到地球示意图。

图4为本发明运行于同一条循环轨道上均匀分布的四个空间站，实现对 地球、火星空间的持续不断的访问示意图；

图5为本发明三条相同轨道周期、空间定位不同的循环轨道，其上各自 运行有空间站，实现对地球、火星空间的持续不断的访问。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式进行进一步的详 细描述。

首先对本发明中的概念进行解释说明如下：

常用的火星探测任务轨道分类见图1。

所谓循环轨道，是相对于直接轨道和两端停泊轨道而言的。直接轨道是 指从地球表面直接到达火星表面或火星轨道的转移轨道；两端停泊轨道是 指从地球轨道到火星轨道的转移轨道；循环轨道是指周期性往返于地球和 火星之间，在行星附近绕飞而不停留的轨道。运行于循环轨道上的飞行器 可长时间保持行星间往复飞行而不需要进行轨道机动(或者只需要较小的 轨道机动)。完全不需要飞船自身实施机动的循环轨道称为弹道式循环轨 道，需要飞船自身提供能量实施机动的循环轨道成为动力式循环轨道。地 球-火星循环轨道是一种特殊的以太阳为中心的绕日椭圆轨道，与地-月循 环轨道不同，地月循环轨道是以地球为中心的一类大椭圆轨道。

一种基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统，其组成包括地球-火星 循环轨道空间站、载人飞行器、货运飞行器这些空间飞行器，如图2所示。

地球-火星循环轨道载人火星探测任务飞行器系统，由载人运载火箭和货运 火箭发射，飞行器系统、运载火箭系统、航天员系统、测控系统等各系统相互 配合，实现在地球、火星空间以及火星的载人探测。

地球-火星循环轨道空间站，包括交会对接端口和机械臂，地球-火星循 环轨道空间站通过该交会对接端口与载人飞行器和货运飞行器对接形成地 球-火星循环轨道空间站组合体；当载人飞行器和货运飞行器不具备主动对 接功能时，地球-火星循环轨道空间站通过机械臂捕获具备交会能力但不具 备自主对接能力的载人飞行器和货运飞行器，形成地球-火星循环轨道空间 站组合体；地球-火星循环轨道空间站能够提供必要的空间环境防护功能、 载人生活环境、热控这些近地轨道空间站具备的常规功能；

载人飞行器包括载人火星转移生活舱、单个或多个推进级、载人飞船， 载人飞行器由多枚运载火箭分批送入近地轨道，通过在轨组装形成一个完整 的载人飞行器组合体；载人火星转移生活舱具备载人生命保障能力，能够保 证航天员长期在轨生存所需的各项条件；

货运飞行器包括密封和/或非密封货运舱、单个或多个推进级，货运飞 行器由多枚运载火箭分批送入近地轨道，通过在轨组装形成一个完整的货运 飞行器组合体；

载人飞船由载人运载火箭发射送入近地轨道，自主机动与载人飞行器的 火星转移生活舱、单个或多个推进级完成交会对接形成组合体；载人飞船能 够从地球-火星循环轨道空间站组合体分离，执行返回再入地球大气层着陆 回收任务；载人飞船具备常规载人飞船平台功能、主动交会对接能力、以第 二宇宙速度再入返回地球的功能。

下面举例对本发明进行详细说明：

一种基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统，可以在航天员系统、 运载火箭系统、测控系统等相关系统的配合下，实现对火星以及地球-火星 空间实现载人探测。如图2所示。

本发明具体实施步骤如下：

(1)首先由运载火箭把地球-火星循环轨道空间站送入近地轨道，根据 地球-火星循环轨道空间站的轨道机动能力需求，由推进飞行器或者地球-火 星空间站自身加速进入地球-火星循环轨道，成为围绕地球、火星，能够定 期周期重访的、长期稳定运行于地球、火星空间之间的载人空间站，实现对 地球、火星空间的持续探测。地球-火星循环轨道是一种特殊的以太阳为中 心的绕日椭圆轨道，与地-月循环轨道不同，地月循环轨道是以地球为中心 的一类大椭圆轨道。执行步骤(2)；

(2)载人飞行器和货运飞行器选择适当的发射窗口，由多枚运载火箭 将货运飞行器和载人飞行器送入近地空间，载人火箭把载人飞船送入近地空 间，载人飞船与载人飞行器交会对接；在近地空间，货运飞行器和载人飞行 器能够形成货运飞行器和载人飞行器组合体；货运飞行器和载人飞行器组合 体能够加速与在轨运行的地球-火星空间站交会对接；货运飞行器和载人飞 行器也能够独自加速，与在轨运行的地球-火星空间站交会对接，形成地球- 火星空间站和货运飞行器和载人飞行器组合体在地球-火星循环轨道运行， 如图3的(a)所示，执行步骤(3)；

(3)步骤(2)的地球-火星空间站和货运飞行器和载人飞行器组合体 在合适的轨道窗口，货运飞行器、载人飞行器与空间站分离重新形成货运飞 行器和载人飞行器组合体飞往火星，如图3的(b)所示；

(4)步骤(3)飞往火星的货运飞行器和载人飞行器组合体在火星表面 着陆，如图3的(c)所示；进行载人火星实地探测任务，如图3的(d)所 示；待该任务完成后，在载人火星探测任务设定的时间窗口，根据载人火星 实地探测任务的需要，货运飞行器和载人飞行器组合体从火星表面起飞返回 空间站，或者货运飞行器与载人飞行器分离，载人飞行器从火星表面起飞返 回空间站，根据载人火星探测任务的需要，货运飞行器从火星表面起飞返回 空间站，如图3的(e)所示。

步骤(4)还可以替换为飞往火星的载人飞行器和货运飞行器组合体在 火星附近减速制动，环火星轨道运行，然后把货运飞行器携带的火星探测器 以及所需的补给送到火星表面，如图3的(c)所示；进行载人火星探测任 务，如图3的(d)所示；当载人火星表面探测任务完成以后，火星探测器 从火星表面起飞，返回到环火星轨道运行的载人飞行器和货运飞行器组合 体，载人飞行器和货运飞行器组合体加速返回地球-火星空间站，如图3的 (e)所示。

(5)执行与地球-火星循环轨道空间站的交会对接后，在载人飞行器里 的航天员进入空间站进行休整，奔向地球。如图3的(f)所示；

(6)在载人火星实地探测任务合适的窗口，货运飞行器和载人飞行器组合 体或者载人飞行器与地球－火星空间站分离，执行轨道机动，飞向地球，如图 3的(g)所示；

(7)再入之前一段时间，载人飞船与载人飞行器分离，执行轨道修正。在 再入大气之前，载人飞船返回舱与载人飞船分离，以第二宇宙速度再入地球(再 入速度大于月球轨道再入)，航天员返回到地球，如图3的(h)所示。

至此，完成整个基于地球火星循环轨道空间站的载人火星探测任务。

步骤(2)所述的载人飞行器和货运飞行器选择的发射窗口能够扩大， 具体由多个地球-火星循环轨道空间站组网来实现，这些多个地球-火星循环 轨道空间站能够运行于同一条地球-火星循环轨道的不同相位上，如图4所 示，也能够运行于不同的地球-火星循环轨道上，如图5所示。通过配置同 一地球-火星循环轨道的相位，或者配置不同的地球-火星循环轨道相对位置， 形成多个空间站组网，可以扩大火星探测的窗口，并延长火星表面探测的任 务时间。

本发明所述方法可以适用于不同推进系统，如普通的常温化学推进系统、 低温推进系统，或者核热、核聚变、核电推进系统等核推进系统等。由于推进 系统的推进效率不尽相同，导致系统总规模也不尽相同，所需运载火箭数量也 不尽相同，但任务模式基本相近，同样需要多次采用空间在轨组装技术。

本发明所述的方法基于地球-火星循环轨道，但是可以进一步推广适用于准 地球-火星循环轨道。所谓准地球-火星循环轨道是一类广义的轨道，这种轨道 只要求配置合理的轨道周期，使得能够在地球-火星空间内合理的往返于地球、 火星之间，而且各次往返的时间间隔大致相同，而不要求严格的匹配轨道倾角 等其他参数(严格的循环轨道还要求匹配轨道倾角等参数，由于地球、火星不 运行于同一轨道面内，准地球-火星循环轨道可放宽对轨道倾角的约束)。

本发明所述基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统方法不限于以上 具体实施方法，还应包括基于单节点任务顺序变换而产生的新方法。

本发明可以适用于长期、持续、多批次的载人火星探测任务。可以实现对 地球、火星空间以及对火星的载人探测任务，同时为地球、火星空间的科学研 究提供了一个理想的研究平台。与基于地月循环轨道完成载人月球探测的方法 相似，基于地球-火星循环轨道的载人火星探测系统方法同样基于循环轨道周期 往返于地球与目标星之间的特点来完成目标星的探测任务。但由于地月循环轨 道是一种绕地球中心的大椭圆轨道，只能完成月球的探测，无法应用于其它星 球的探测任务。而地球-火星循环轨道概念完全不同于地月循环轨道概念，是一 种以太阳为中心的椭圆轨道，往返于地球和火星之间，只能适用于火星探测任 务。

对该载人火星探测系统所采用的飞行器已进行了仿真试验，试验中地球- 火星循环轨道空间站采用的技术在现有的国际空间站、和平号空间站得到了验 证，载人飞行器采用的技术如载人环境、热控制、再入返回、交会对接等在航 天飞机、神舟号飞船、联盟号飞船等现有载人航天器型号中得到了验证，货运 飞行器采用卫星以及欧洲ATV、日本HTV等货运飞船等的技术，进行了验证。 地球-火星循环轨道是一种以太阳为中心的椭圆轨道，周期往返于地球和火星之 间，只能用于火星探测任务，通过反复的迭代数学计算及大量的仿真实验得到 的得到了偏心率的验证，地球-火星循环轨道能够存在于太阳系内，并通过定期 轨道维持，能够长期实现稳定的地球-火星循环轨道，通过仿真试验验证本方案 是可行的。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知 技术。